2019-08-15
文案 | 微生物組產品線
正 文
最近，派森諾生物與西北農林科技大學合作，在《Science of the Total Environment》（影響因子5.589）再次發表論文，以黃土高原中的土壤細菌群落為研究對象，在大空間尺度上探究了黃土高原中的細菌微生物群落，并結合黃土高原的氣候、地理等多種環境變量，對黃土高原中土壤細菌群落的地理分布及其驅動因素進行了探索。
研究背景
土壤微生物在調節生態系統功能和維持生態系統穩定方面發揮著重要作用，細菌更是影響著土壤中的基本過程和物質循環。盡管目前關于微生物地理分布模式的研究很多，但我們仍然對微生物的生物地理學知之甚少（尤其是在特別干旱的地區）。比如，在干旱地區的不同緯度，土壤中的營養物質和氣候驅動因子對土壤細菌生物地理模式的影響程度是否也和其余地區一樣？它們的相對重要性又是怎么樣的？
與此同時，研究顯示，降水是驅動土壤微生物多樣性與分布的重要因子，因此，研究降水對土壤細菌群落的影響可增強我們對土壤過程的了解，并探究它們對自然氣候變化的貢獻。
黃土高原是影響中國西部氣候變化和生態系統功能的重要區域，但目前卻沒有人在大空間尺度上研究黃土高原森林土壤中細菌群落的構成情況。而黃土高原的東西剖面，在氣候、土壤和地理距離上都具有明顯梯度，且絕大部分區域降水量低于600 mm，是研究細菌多樣性和群落結構對干旱地區不同環境梯度的響應的理想區域，因此，本文以黃土高原自東向西800公里橫斷面為研究地點，探究了該區域中細菌群落的地理分布，以及對應的驅動因子。
研究內容
①探究不同生物地理模式下土壤細菌的多樣性與群落結構；
②定量評估氣候、地理距離、土壤因子等多種環境變量對細菌多樣性和群落結構形成的相對重要性；
③探究土壤有機碳對土壤細菌生物地理模式的影響。?
研究目的
研究黃土高原自東向西800公里橫斷面上，土壤細菌多樣性的地理分布，以及對應驅動因素。
? 材料與方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V3V4區測序
實驗對象：土壤
? 實驗設計
本研究于2016年7月，在黃土高原自東向西800公里的橫斷面中，選擇緯度相近，年平均氣溫（MAT）在7 ~ 12.4 ℃，年平均降水量（MAP）在473 ~ 547 mm，且土壤類型相似的24個取樣點。
每個取樣點隨機選擇3個樣方，每個樣方收集10 ~ 20份表層土，去除根、石頭和植物凋落物后，將土樣混勻、過篩（2 mm），隨后，將所有土樣分為兩份，一份置于-80 ℃儲存，以提取土壤中的DNA，用于高通量測序以分析土壤中的微生物群落，另一份用于分析土壤中的理化性質，包括有機碳（SOC）、總氮（TN）、總磷（TP）、pH、電導率（EC）、速效磷（AVP）、土壤硝態氮（NO3N）、土壤氨氮（NH4N）。
結 果
? 黃土高原土壤細菌群落多樣性及影響因素
高通量測序結果顯示，黃土高原的土壤樣本中，微生物群落的Shannon多樣性指數在9.27~10.89之間，且降水量越低的地區，多樣性指數越高。如圖1所示，土壤細菌的Shannon多樣性指數和物種豐富度均與降水量顯著相關，其余環境因子對土壤細菌群落的Alpha 多樣性則無顯著影響。不過，多元回歸分析顯示，土壤pH值是影響土壤細菌多樣性的最重要因素，相對重要性為50%（表1）。
圖1 土壤pH和降水量（MAP）與土壤細菌多樣性的相關性
表1 土壤細菌Alpha多樣性的多元回歸模型（Shannon）
? 黃土高原土壤細菌群落結構及影響因素
在本次研究的所有黃土高原土壤樣本中，共檢測到了24個細菌門類，其中，最主要的五個門類為：α-變形菌門（18.2%），β-變形菌門（5.2%），放線菌門（31%）、酸桿菌門（14%）、Chloroflexi（10%）和芽單胞菌門（5%），門和綱水平的主要細菌群落見圖2。同時，spearman相關性分析顯示，以上這些主要微生物門類的相對豐度均與土壤化學性質顯著相關（pH、SOC），這表明，土壤pH能夠影響微生物群落結構的形成，而硝化螺菌、放線菌、Spartobacteria 和Subgroup_17的相對豐度則和土壤TN、SOC顯著相關，另外，土壤氨態氮含量也會顯著影響硝化螺菌、放線菌、Spartobacteria、Subgroup_17、α-變形菌和Solibacteres的相對豐度。這表明，土壤C、N和pH是影響土壤細菌群落組成的重要因素。此外，基于β多樣性的多元回歸分析顯示，土壤pH是土壤群落的最佳預測因子，其次是土壤有機碳（表2）。
圖2 不同取樣點中的主要細菌群落結構（a為門水平，b為綱水平）
表2 土壤細菌β多樣性的多元回歸模型（NMDS1）
NMDS分析和PCoA分析顯示，本次實驗所采集的土壤樣本中，細菌群落結構之間有明顯的變化趨勢，且這個變化趨勢與樣本中的土壤pH值具有很強的相關性，即土壤pH值對土壤細菌群落的組成有顯著影響（圖3）。
圖3 基于Unweighted Unifrac distance的NMDS分析（顏色代表pH梯度）（a）；基于Bray distance的PCoA分析結果的PC1（b）和基于Unweighted Unifrac distance的NMDS1（C）與pH的回歸線；氣候、空間因子、土壤因子及其相互作用與細菌群落的VPA分析（d）。
? 影響細菌群落結構形成的環境因素
CCA分析結果顯示，MAP、MAT和海拔均對土壤細菌群落結構有顯著影響，在土壤理化性質中，SOC、TN、pH、EC和NH4N均為影響土壤細菌群結構的重要因素（尤其是土壤pH）。同時，相較于氣候驅動因素，土壤性質對土壤群落結構有更重要的影響。另外，NMDS的第一個成分（NMDS1）與土壤環境變量之間的相關性分析也顯示，土壤性質對土壤細菌結構有著強烈影響。
表3 NMDS的第一個成分（NMDS1）與土壤環境變量之間的相關性分析
本文利用距離衰減的方法，探究了細菌群落相似性與地理距離、化學距離（基于歐氏距離的土壤性質距離）和氣候距離之間的關系，距離衰減曲線顯示，土壤細菌群落相似性和地理距離有著顯著相關性（圖4），這表明，空間因素可能會通過傳播距離的限制影響微生物群落結構。另外，微生物群落結構與環境距離（包括土壤歐式距離和氣候歐式距離）之間也有著強相關性。回歸分析的結果顯示，土壤性質對細菌群落結構有更為重要的影響。
圖4 基于歐式距離的環境相似性、地理距離和細菌群落相似性之間的距離衰減曲線
另外，本研究還利用VPA分析（圖3d），分析了地理距離、土壤因素和氣候因子對土壤細菌群落結構的影響，結果顯示，總共有62%的群落變異可以用所有測量變量來解釋，其中，地理距離、氣候和土壤變量分別解釋了群落變異的20%、9%和25%，且土壤因子與氣候因子之間無交互作用，即，具有相似環境特征的土壤，無論地理距離如何，其細菌群落相似。
文章還利用DistLM分析測試了各環境因子對土壤細菌群落結構的相對解釋率。結果顯示，土壤pH對細菌群落的變化有著最大的解釋率（23.6%），其次則是氣候因素（表4）。
表4 DistLM分析結果
總 結
本文以黃土高原中的土壤細菌群落為研究對象，探究了黃土高原中的細菌微生物群落，并結合黃土高原的氣候、地理等多種環境變量，對黃土高原中土壤細菌群落的地理分布及其驅動因素進行了探索，并得到以下結論：
① 氣候因素（MAP）是影響黃土高原中細菌Alpha多樣性最重要的因素；
② 干旱地區森林土壤中的細菌群落結構受土壤pH值的強烈影響；
③ 與土壤性質和地理距離相比，氣候變量對土壤細菌群落結構的影響較小。?
本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引
Zeng Q, An S, Liu Y, et al. Biogeography and the driving factors affecting forest soil bacteria in an arid area[J]. Science of The Total Environment, 2019, 680: 124-131.
